Jakso 7 Tiedon muuttumattomuuden tarkistus Järjestelmän sisäinen muisti. Pariteetti Hamming-koodi Välimuisti Tavallinen muisti Muistien historiaa

Transkriptio

1 Jakso 7 Tiedon muuttumattomuuden tarkistus Järjestelmän sisäinen muisti Pariteetti Hamming-koodi Välimuisti Tavallinen muisti Muistien historiaa 1

2 Tiedon tarkistus (4) Tiedon oikeellisuutta ei voi tarkistaa yleisessä tapauksessa Laitteistovirheitä voidaan havaita ja joskus automaattisesti korjata bitti voi muuttua muistissa tai tiedonsiirrossa muistipiirissä voi olla vika (staattinen vika) sopiva alkeishiukkanen voi muuttaa bitin tiedonsiirron aikana (transientti virhe) Tietokannan eheys on eri asia! Lisää tietoa? Tietokanta kurssit 2

3 Tiedon muuttumattomuus (2) Perusidea: otetaan mukaan ylimääräisiä bittejä, joiden avulla virheitä voidaan havaita ja ehkä myös korjata Järjestelmä suorittaa tarkistukset automaattisesti joko laitteistotasolla tai ohjelmiston avulla 3

4 Esimerkki ohjelmistotason tarkistusmerkistä (2) Henkilötunnus: C % 31 = ABCDEFHJKLMNPRSTUVWXY Tarkistusmerkin avulla voidaan tarkistaa, ettei mikään yksi merkki ole väärin havaitsee yhden merkin virheen virhettä ei voi automaattisesti korjata!! Miksi? E C 4

5 Bittitason tarkistukset (7) Muistipiirit, levyt, väylät, tiedonsiirrot Monenko bitin muuttuminen havaitaan? Monenko bitin muuttuminen voidaan automaattisesti korjata? Korjaamiseen tarvitaan enemmän ylimääräisiä bittejä lisämuistitilan tai levytilan tarve? lisäpiuhojen tarve väylällä? Tarkistukset/korjaukset laitteisto- vai SW-tasolla? C Hetu: 1 Hetu: 0 Hetu: +10% Hetu: ohjelmistotasolla 5

6 Pariteettibitti (9) Yksi ylimääräinen bitti per tietoalkio sana, tavu, tietoliikennepaketti Parillinen (pariton) pariteetti: 1-bittien lukumäärä on aina parillinen (pariton) Havaitsee: 1 bitti Korjaa: 0 bittiä Esimerkki (parillinen pariteetti) ? ? 1 6

7 Hamming-etäisyys (3) Montako bittiä jossain koodijärjestelmässä (esim ISO Latin) esitetyllä koodilla (esim. A = 0x41 = ) täytyy muuttua, että se muuttuu johonkin toiseen (mihin tahansa) lailliseen koodiin. A = 0x41 = B = 0x42 = C = 0x43 = bittiä 1 bittiä ISO Latin-1:n Hamming etäisyys: 1 Pariteettibitin kanssa Hamming etäisyys: 2 mikä on todennäköisyys 2 bitin (vs. 1 bitin) virheeseen 7

8 Hamming-koodi (2) [Tane99] (a) Kukin databitti (4 kpl) kuuluu erilaisiin pariteettijoukkoihin (3 kpl) (b) tarvitaan 3 ylimääräistä bittiä (c) Joukot A ja C havaitsevat virheen ja siten paikallistavat virheellisen bitin Täsmälleen 1 databitti identifioituu kerrallaan 8

9 Hamming-koodi (9) Käytetään useampia pariteettibittejä Havaitsee: kahden bitin muuttuminen Korjaa: yhden bitin muuttuminen Data: Bitti nro: bittiä dataa, 3 pariteettibittiä Kaikki bitit nro 2 i ovat pariteettibittejä, muut ovat databittejä (numerot alkavat 1:stä) Kutakin data-bittiä n tarkistavat ne pariteettibitit joiden summana n voidaan esittää. Parillinen pariteetti. 6 = databittiä 6 tarkistavat par. bitit 4 ja 2 9

10 Virheen korjaava Hamming-koodi (8) (ECC = Error correcting code Data: Bitti nro: Pariteettibitti 1 tarkistaa bittejä 1, 3, 5, 7 Pariteettibitti 2 tarkistaa bittejä 2, 3, 6, 7 Pariteettibitti 4 tarkistaa bittejä 4, 5, 6, 7 Tapahtuu virhe: bitti 6 muuttuu (flips) Pariteettibitti 2 tarkistaa bittejä 2, 3, 6, 7: VIRHE Pariteettibitti 4 tarkistaa bittejä 4, 5, 6, 7: VIRHE 2+4 = 6 korjaa bitti nro 6 10

11 Virheen korjaava Hamming koodi (ilman animaatioita) Data: Bitti nro: Pariteettibitti 1 tarkistaa bittejä 1, 3, 5, 7 Pariteettibitti 2 tarkistaa bittejä 2, 3, 6, 7 Pariteettibitti 4 tarkistaa bittejä 4, 5, 6, 7 Tapahtuu virhe: bitti 6 muuttuu (flips) Pariteettibitti 2 tarkistaa bittejä 2, 3, 6, 7: VIRHE Pariteettibitti 4 tarkistaa bittejä 4, 5, 6, 7: VIRHE 2+4 = 6 korjaa bitti nro 6 11

12 Data: Bitti nro: Jos on enemmän dataa, niin tarvitaan enemmän pariteettibittejä eli kaikki bitit, joiden numero on kakkosen potenssi ovat tarvittaessa tarkistusbittejä. Esim. neljällä pariteettibitillä voidaan esittää 15-4 = 11 numeroa, viidellä 31-5 = 26 numeroa. Neljällä joukolla A, B, C ja D saadaan esitettyä kaikkiaan 15 eri vaihtoehtoa, joista 4 menee pariteettibiteille ja muut databiteille. 23/05/2003 K

13 CRC - Cyclic Redundancy Code (7 Tiedonsiirrossa käytetty tarkistusmenetelmä Tarkistussumma (16 bittiä) isolle tietojoukolle laske CRC = f (viesti*2 16) % (X 16 + X 15 +X 2 + 1) ( huom! polynomijako) lähetä viesti ja CRC vastaanota viesti ja CRC laske CRC ja tarkista oliko oikein (pitäisi olla 0!) jos pielessä, niin pyydä uudelleenlähetystä CRC-CCITT CRCs detect: All single- and double-bit errors All errors of an odd number of bits All error bursts of 16 bits or less In summary, % of all errors 13

14 Virheiden tarkistusmenetelmien käyttöalueet Mitä lähempänä suoritinta, sitä tärkeämpää tiedon oikeellisuus on Sisäinen väylä, muistiväylä virheet korjaava Hamming-koodi Paikallisverkko uudelleenlähetyksen vaativa CRC kun tulee virheitä, niin niitä tulee yleensä paljon Hamming-koodi ei riitä kuitenkaan pariteettibitti päästää läpi 2 virheen paketit 14

15 Laitteiden monistaminen (6) Monta muistipiiriä, samat tiedot monistettu Monta suoritinta, samat käskyjen suoritukset monistettu Monta laitteistoa, samat ohjelmat monistettu Eri tyyppiset laitteistot, samankaltaiset ohjelmat samat speksit, samat syötteet, eri ohjelmoijat Äänestysmenettely: enemmistö voittaa monimutkainen, hidas? virheelliseksi havaittu laitteisto suljetaan pois häiriköimästä automaattisesti? Lentokoneet, avaruussukkula, ydinvoimala, 15

16 16

17 Välimuisti muisti suoritin - CPU ALU CU rekisterit MMU (kirjastorutiinit) (käyttöjärjestelmä) Välimuisti (cache) ohjelma data väylä laiteohjaimet 17

18 Välimuisti (cache) (3) Ongelma: keskusmuisti on aika kaukana suorittimesta Ratkaisu: välimuisti lähelle suoritinta pidetään siellä (kopioita) viime aikoina viitatuista keskusmuistin alueista rekisterin viittausaika: X muistin viittausaika: 10X Jokainen muistiviite on nyt seuraavanlainen jos data ei ole välimuistissa, niin hae se sinne suoritin odottaa tällä aikaa tee viittaus dataan (käskyyn) välimuistissa (talleta muutettu tieto keskusmuistiin) välimuistin viittausaika: 2X 18

19 Välimuisti Tuntumaton suorittimelle jos viitattu tieto ei saatavilla, niin suoritin vain odottaa muutaman kellopulssin ajan Toteutettu usein nopeammalla teknologialla kuin keskusmuisti (tavallinen muisti) Toteutettu usein samalla mikropiirillä kuin suoritin Silti iso aikaero: välimuisti 2X, muisti 10X ratkaisu: monitasoiset välimuistit: L1, L2, L3 L2 eri piirillä, mutta isompi kuin L1 TTK-91 koneessa ei ole välimuistia Fig [Stal99] 19

20 Miksi välimuisti toimii? (5) Paikallisuusperiaate: tiettynä aikavälillä muistiviitteet kohdistuvat vain koko muistin pieneen osajoukkoon (locality principle) Ajallinen paikallisuus: on todennäköistä, että vähän aikaa sitten viitattuun tietoon viitataan uudelleen kohta (temporal locality) Alueellinen paikallisuus: on todennäköistä, että vähän aikaa sitten viitatun tiedon lähelle viitataan lähitulevaisuudessa (spatial locality) 20

21 Miten välimuisti toimii? (3) Välimuistissa on useita keskusmuistin lohkoja esim. 4 sanaa / lohko Fig [Stal99] (cache block cache line) Kun tulee välimuistihuti (viitattu data ei välimuistissa), niin koko tuon datan sisältämä lohko ( rivi ) kopioidaan muistista välimuistiin Uusille lohkoille tehdään tilaa poistamalla vanhoja lohkoja, joihin ei toivottavasti heti viitata ne lohkot, joihin on kirjoitettu, täytyy kopioida muistiin 21

22 Välimuistin ominaisuuksia (5) Koko isommasta löytyy enemmän dataa, mutta se voi olla hitaampi Fig [Stal99] Kuvausfunktio miten löytää data välimuistista? Poistoalgoritmi mikä lohko poistetaan seuraavaksi? Kirjoituspolitiikka miten käsitellä WRITE käskyjä? Lohkon (rivin) koko monta pientä: hyvä ajalliselle paikallisuudelle muutama iso: hyvä alueelliselle paikallisuudelle sama pintaala? 22

23 Muistin toteutus (6) Eri teknologioita eri tasoisiin muisteihin RAM - Random-Access Semiconductor Memory anna osoite ja lue/kirjoita signaali mistä vaan voi lukea/kirjoittaa samassa ajassa virta pois tiedot häviävät (volatile memory) Huom: kaikki nykyiset muistit ovat random access 23

24 RAM:n kaksi eri teknologiaa (2) DRAM: dynaaminen RAM, halvempi, hitaampi, tietoja pitää virkistää vähän väliä (esim. joka 2 ms) tavallinen keskusmuisti ( ) useimmissa koneissa toteutettu kondensaattoreilla, jotka vuotavat SRAM: static RAM, kalliimpi ( 20x), nopeampi ( 10x), ei vaadi tietojen virkistämistä välimuisti useimmissa koneissa muisti superkoneissa (esim. Cray C-90) toteutettu samanlaisilla logiikkaporteilla (gate) kuin prosessorikin CMOS-valmistusteknologia (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 24

25 ROM-teknologia (8) ROM - Read-Only Memory tieto säilyy virran katkettua (non-volatile) voi käytössä vain lukea, ei voi kirjoittaa esim. järjestelmän alustustiedot (BIOS) kirjoitus lastun valmistusaikana, Mask-ROM huono puoli: kerran väärin, aina väärin päivitys: laita valmistajalta saatu uusi lastu paikalleen tietoa voi lukea mistä vain samassa ajassa (random access) yleensä hitaampi kuin RAM ( 10x) 25

26 Kirjoitettavia ROM-muisteja (6) readmostly memory PROM - Programmable ROM kerran kirjoitettava tiedon päivitys: polta tiedot tyhjään PROM:iin EPROM - Erasable PROM tietoja ei voi päivittää sana kerrallaan vanhat tiedot voidaan (kaikki!) poistaa 20 min. UVsäteilyllä, jonka jälkeen päivitetyt tiedot voidaan ladata EEPROM - Electronically Erasable PROM tietojen pyyhkiminen tavukohtaisesti elektronisesti FLASH EEPROM memory tietojen pyyhkiminen nopeasti kerralla elektronisesti normaalijännitteellä nopeampi kuin EEPROM BIOS, CIH-virus 26

27 Muistien historiaa Rumpumuisti 1939, ABC, Atanasoff- Berry Computer, Iowa State College. lähinnä laskin 1951, Aiken Mark III erilliset rumpumuistit koodille ja datalle 30 numeroa á 50 bittiä Artzybasheff Time cover

28 Muistien historiaa Williams Tube 1946, Williams & Kilburn katodisädeputki ensimmäinen suuri RAM muisti Storing 2048 bits on a CRT in 1947 Tom Kilburn holding a Cathode Ray Tube 28

29 Muistien historiaa Ferriittirengas (core) teknologia 1952, Jay Forrester & Bob Everett, MIT (Whirlwind) tieto säilyy ilman virtaa ei häiriinny säteilystä (avaruus, sotilasteknologia) 1955, valtaa markkinat Williams Tube lta 29

30 Muistien historiaa Välimuisti (1965, Maurice Wilkes) IBM S/360 Model lohkoa á 64 tavua 30

31 Muistien historiaa DRAM (1966, Robert Dennard, IBM) Intel 1103 (1970) John Reed 1 Kbit valtaa markkinat ferriittirengasmuisteilta 1972 SRAM (1970, Fairchild Corp) Robert Dennard 31

32 PROM??? EPROM Muistien historiaa 1971, Dov Frohman, Intel 1701 EEPROM, 1980, Intel 2816 Flash EEPROM 1984, Lai et at, Intel 32

33 Muistien historiaa OROM - optical ROM 1990, James Russell (Russell keksi myös CD-ROM:n) 1998, Wond-OROM-a 128 MB/kortti plus lukulaite ei liikkuvia osia sama nopeus kuin CD-ROM:lla (siis aika hidas!) pieni virrankulutus sopii kannettaviin laitteisiin 33

34 -- Jakson 7 loppu -- Whirlwind Project, MIT,